6.4.2. Интерфейсы аппаратуры среднего и верхнего уровней
Цифровой интерфейс с токовой петлей (CL) относится к классу универсальных двухточечных радиальных интерфейсов удаленного последовательного доступа к системам. Применяется в территориально распределенных АСКУЭ, так как позволяет осуществить связь по физическим линиям на расстояние до 3 км без использования модемов. Интерфейс CL представляет собой двухпроводную линию, образующую токовую петлю с дискретно переключаемым источником тока и приемником (рис. 6.16, а).
Последовательные данные от источника к приемнику передаются побитно и побайтно асинхронным способом сигналами постоянного тока i = 20 мА (иногда используются сигналы 10, 40 или 80 мА). Ток, превышающий 17 мА, представляет логическую «1» (маркер), а ток, меньший 2 мА, – логический «0» (пробел). Одно из взаимодействующих устройств должно быть активным и служить источником тока, а другое – пассивным (приемником). Интерфейс CL имеет, как правило, протяженную линию передачи, которая подвержена влиянию внешних помех и перенапряжений. Поэтому схемы передатчика и приемника линии могут быть гальванически развязаны за счет использования оптронов и изолированных источников питания (аналогичное решение приведено на рис. 6.15, б). Максимальная скорость передачи сигналов по токовой петле – 9600 бит/с при длине линии связи до 300 м.
а
б
Р и с. 6.16. Токовые интерфейсы контроллеров с ПК: а – токовая петля CL; б – интерфейс радиальный последовательный ИРПС
Снижая скорость передачи, можно почти пропорционально увеличивать длину линии: на скорости 1200 бит/с длина линии увеличивается до 2000 м. Токовая петля используется обычно для сопряжения одного передатчика и одного приемника, но, в принципе, она может охватывать и несколько последовательно соединенных пассивных приемников. Токовая петля позволяет передавать данные по двухпроводной линии в одном направлении (симплексная связь): от передатчика к приемнику.
Для дуплексной связи (одновременной передачи в двух противоположных направлениях) применяется четырехпроводная линия (рис. 6.16, б). Такой принцип используется в двойной токовой петле – ИРПС (интерфейс радиальный последовательный). Интерфейс содержит цепь 1 «Передаваемые данные» (Пд+/Пд-) и цепь 2 «Принимаемые данные» (Пр+/Пр-). ИРПС гарантирует передачу сигналов со скоростью 9600 бит/с на расстояние до 500 м (с увеличением расстояния пропорционально снижается скорость), но не регламентирует типы применяемых кабелей и разъемов.
Усовершенствованная токовая петля с HART-протоколом (Highway Addressable Remote Transducer) позволяет передавать одновременно аналоговый (4-20 мА) и цифровой сигнал по одной и той же паре проводов (рис. 6.17). Интеллектуальные HART-датчики можно ставить параллельно с аналоговыми ИП и с помощью средств HART-коммуникации использовать все преимущества цифрового обмена уже в существующих аналоговых системах.
Р и с. 6.17. Принцип обмена данными по HART-протоколу
HART-протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод. Для передачи логической "1" используется один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического "0" – два неполных периода 2200 Гц. HART-составляющая накладывается на аналоговый сигнал токовой петли. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART-сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал {4 – 20} мА. При HART-протоколе полевое устройство отвечает по запросу системы. Связь с первичными преобразователями осуществляется через установленный в них модуль с HART-коммуникатором. Этот модуль содержит меню, которое обеспечивает доступ к универсальным и общим командам практически для любого преобразователя с HART-протоколом. Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу: смешанный и многоточечный. В смешанном режиме передача цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера (рис. 6.18, а). При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика.
В многоточечном режиме (рис. 6.18, б) датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. К одной паре проводов в зависимости от качества линии и мощности блока питания может быть подключено до n=15 приборов со своими уникальными адресами. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них. HART-коммуникатор – переносное устройство преобразования данных, работающее с цифровыми сигналами в уровнях MTL-логики. Главные достоинства HART – удаленная настройка приборов, возможность работы с многопараметрическими приборами (например, расходомерами), что позволяет получать информацию о нескольких переменных процесса по одной паре проводов.
HART применяется в около 700 типах устройств таких производителей, как Метран, ABB, Endress + Hauser, FOXBORO, Honeywell, Pepperl + Fuchs/Elcon, Phoenix Contact, Rockwell Automation, Siemens AG, Toshiba, Yokogawa Electric Corp. и т.д.
а
б
Р и с. 6.18. Варианты подключения датчиков через HART-модем к ПК: а – смешанный режим; б – многоточечный режим
Другой тип широко используемого в АСКУЭ цифрового интерфейса – интерфейс стандарта Ассоциации электронной промышленности США (EIA) RS-232C (европейский аналог – стандарт CCITT V.24). Этот тип интерфейса применим для синхронной и асинхронной связи между устройствами в симплексном, полудуплексном и дуплексном режимах. В большинстве схем аппаратуры АСКУЭ, содержащих интерфейс RS-232C, данные передаются асинхронно.
Стандарт регламентирует состав, назначение и обозначение линий (цепей) интерфейса, их нумерацию, электрические характеристики, обозначения и уровни сигналов интерфейса, скорости передачи данных и тип применяемых разъемов. В зависимости от условий конкретного применения используется различное число линий интерфейса. Так, для асинхронного обмена через модем требуются 8 цепей, а для аналогичной связи по физическим линиям – только три цепи: данные передатчика T*D, данные приемника R*D и сигнальная земля GND (рис. 6.19, а). Соединения по интерфейсу RS-232C реализуются через стандартные 9– или 25-контактные разъемы типа DB-9 или DB-25 (рис. 6.19, б).
а
б
Р и с. 6.19. Интерфейс RS-232C: а – передача информации по интерфейсу через разъемы DB9 и DB 25; б – вид разъемов типа DВ-9 и DB-25 для интерфейса RS-232C
Программируемая микросхема последовательного ввода осуществляет параллельно-последовательные и последовательно-параллельные преобразования данных. Эти преобразования необходимы, поскольку данные обычно представлены на шине микропроцессора в параллельной форме (байтами, словами), а для последовательного ввода требуются средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные. С другой стороны, для последовательного вывода необходимы средства преобразования параллельных данных, представленных на шине, в последовательные выходные данные.
Скорость передачи данных по интерфейсу RS-232C составляет от 50 до 19200 бит/с (при L= 16 м). На практике это расстояние может быть существенно увеличено при снижении скорости передачи и использовании экранированного кабеля с малой собственной емкостью (при скорости 1200 бит/с максимальная длина неэкранированного кабеля достигает 900 м). Передаваемый байт данных оформляется стартовым битом, битом паритета и стоповым битом. Любое сообщение, передаваемое по интерфейсу асинхронным способом, представляет совокупность байтов данных, оформленных указанным образом.
Цифровой интерфейс стандарта RS-422A ориентирован на использование дифференциальной сбалансированной линии передачи с импедансом 50 Ом, что повышает по сравнению с RS-232C помехоустойчивость интерфейса, длину линии связи и скорость передачи (10 Мбит/с при длине кабеля до 13 м и 100 кбит/с при длине 1300 м). Кроме того, этот стандарт допускает подключение к одному передающему устройству до 10 приемников.
Более поздний стандарт RS-485A, являющийся усовершенствованием RS-422А, ориентирован при тех же скоростных характеристиках на совместную работу до 32 источников и 32 приемников данных. Последние два стандарта позволяют объединять приборы в разветвленные сетевые структуры, и поэтому в последние годы они все чаще реализуются в приборах учета энергоресурсов. Стандарт RS-485A не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интерфейсе RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета (если нужно), стоповый бит. Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу «ведущий-ведомый». Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Тип соединителей и распайка обычно не оговариваются стандартами. Встречаются соединители DB9, клеммные соединители и т.д.
Рассмотренные цифровые интерфейсы каналов связи дают возможность строить различные территориально-распределенные АСКУЭ. Трехпроводной интерфейс RS-232C позволяет самым простым способом подключать к совместимому с ним последовательному СОМ-порту ПК удаленную (до 900 м) систему учета (рис. 6.20, а). При необходимости подключить к компьютеру несколько систем в ПК встраивается стандартный мультиплексор на требуемое количество каналов (4, 8 или 16). Для защиты оборудования от перенапряжений в линиях связи (особенно при грозовых разрядах) применяют сетевые фильтры передачи данных СФПД. АСКУЭ, использующие телефонные линии, также работают с интерфейсом RS-232C, к которому в этом случае подключаются модемы со стороны приборов и ПК (рис. 6.20, б). К такой сети можно подсоединять неограниченное количество приборов при условии, что время сбора данных не лимитируется.
Другой тип сети с удаленным (до 3 км) подключением системы к компьютеру использует четырехпроводной интерфейс ИРПС (рис. 6.20, в). Для подключения нескольких систем по такому интерфейсу применяется соответствующий мультиплексор ИРПС, встраиваемый в ПК. Интерфейс RS-485 позволяет строить разветвленные АСКУЭ по многоточечной схеме с удалением аппаратуры полевого уровня до 1200 м от ПК и минимальными затратами кабеля при использовании двухпроводных линий связи (рис. 6.20, г).
Цифровой интерфейс USB (Universal Serial Bus) – универсальная шина, предназначенная для легкого и быстрого подключения к микроЭВМ периферийных устройств на расстоянии 3...5 м со скоростями 1,5 Мбит/с и 15 Мбит/с (рис. 6.21) [117].
Интерфейс USB 2.0 имеет скорость передачи информации 480 Мбит/с. USB-шнур представляет собой две витые пары: по одной паре происходит последовательная передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая является линией питания +5 В. Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания.
К одному ПК можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов, реализующих топологию «звезда». Специальные концентраторы – USB-хабы (USB-hab), подключаемые к порту USB, делят его на несколько портов. Концентраторы с блоком питания позволяют увеличивать дальность связи до нескольких десятков метров. Передача данных по шине может осуществляться как в асинхронном, так и в синхронном режиме. Все подключенные к USB устройства конфигурируются автоматически и допускают включение/выключение без перезагрузки или выключения компьютера. Существует два вида разъемов: «А» и «B». Как правило, устройство подключается к кабелю разъемом B, а разъемом A – к USB-порту. Устройства можно подключать по цепочке, для этого они могут иметь дополнительный порт для подключения кабеля, идущего на следующее устройство. USB-интерфейс поддерживается протоколами Microsoft начиная с Windows 98.
а
б
в
г
Р и с. 6.20. Варианты применения интерфейсов среднего уровня: а – передача данных через интерфейс RS-232C; б – передача данных по коммутируемому телефонному каналу; в – передача данных через интерфейс ИРПС; г – передача данных через интерфейс RS-485C по витой паре
Р и с. 6.21. Интерфейс USB
Интеллектуальные датчики с цифровым выходом часто оснащаются интерфейсом LIN (Local Interconnect Network, сеть локального взаимодействия) для подсоединения к ведущему устройству (контроллеру). Шина LIN является простой и недорогой субшиной, разработанной для применения в в дополнение к существующей шине CAN (Controller Area Network, сеть локальных контроллеров).
Для сетей передачи данных разработано большое количество разнообразных цифровых интерфейсов и субинтерфейсов: RS-449, RS-423, HSSI (High-Speed Serial Interface), FLEX Integra I/O, CompactBlock I/O, CAN-bus-ISA/MicroPC, SCI, ADM, AS, LIN, LVDS, ACCESS.bus (шина I2C) и др., различающихся назначением, функциональными возможностями, объемом, режимами и скоростью передачи данных, а также ценовыми характеристиками.
При сборе и передаче информации по волоконно-оптическому кабелю применяют несколько подходов к построению различных участков кабельной разводки АСКУЭ – от измерительного устройства до ПЛК, от ПЛК до АРМ, соединения между ПК локальной и корпоративной сетей, проводка до удаленного пользователя. Для кабельных систем, работающих в используемых АСКУЭ стандартах Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, FDDI, SONET/SDH, 10G Fibre Channel, ITUT G.693 и ATM, разработаны последовательные интерфейсы с одно– и многомодовыми волокнами. В число производителей интерфейсов входят MRV, Hewlett-Packard, Sun Microsystems, Digital, Compaq, Lucent Тесhnologies, Оrtronics, Аlcattel и др.
Например, 10G Fibre Channel – стандарт на последовательные оптоволоконные соединения, предназначенные для высокоскоростных двусторонних коммуникаций по схеме «точка-точка» между серверами, накопителями, рабочими станциями, концентраторами и коммутаторами. Ключевыми характеристиками протокола 10G Fibre Channel являются: скорость передачи до 10 Гбит/с, расстояние между узлами до 10 км, масштабируемость.
Разнообразие интерфейсов накладывает определенные требования на аппаратуру интегрированной АСКУЭ, которая должна соответствовать параметрам определенного типа локальной сети и физических каналов связи. Часто возникает необходимость в преобразовании интерфейсов при передаче информации между аппаратурой от разных производителей. Необходимо также учитывать, что выпускаемые в РФ средства измерения с цифровыми интерфейсами часто не унифицированы по протоколам связи с ПК.